Funzionamento PLL

PLL (anello ad aggancio di fase)
Il PLL ( Phase Locked Loop, anello ad aggancio di fase) è un circuito integrato a reazione negativa.
E’ un componente molto versatile e può essere usato come:
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demodulatore di segnali modulati in frequenza,
decodificatore di tono, in grado di riconoscere una particolare frequenza tra tante,
controllo della velocità dei motori,
convertitore tensione-frequenza,
moltiplicatore di frequenza,
sintetizzatore sinusoidale.
La struttura interna è schematicamente composta da tre blocchi: il rivelatore di fase, il filtro passa
basso e il VCO, come mostrato dallo schema:
Il primo blocco produce un'uscita proporzionale alla somma e alla differenza tra le fasi del segnale
di riferimento avente frequenza fp ed il segnale in uscita del VCO. Il filtro passa-basso lascia
passare solamente la componente differenza dando origine ad una tensione di errore Vr
proporzionale alla differenza tra le due fasi comparate. La tensione errore viene impegnata per
controllare la frequenza dell'oscillatore il quale ha un'ampiezza fissa per evitare di subire variazioni
di ampiezza dovute al segnale di ingresso. Il VCO varia la sua frequenza in modo da ridurre la
variazione della differenza di fase . Quando l'anello è agganciato in fase la frequenza del VCO è
uguale alla frequenza del segnale in ingresso e la differenza tra le due fasi risulta costante. Ogni
variazione di tale differenza produce una variazione della tensione di errore Ve che forza la
frequenza del VCO fino all'aggancio successivo. Per comprendere meglio il principio di
funzionamento del PLL si consideri inizialmente nullo il segnale di riferimento (assenza del segnale
modulato). In tal caso all'ingresso del rilevatore di fase è applicato solamente il segnale di uscita del
VCO e di conseguenza il battimento risulta nullo. All'uscita del filtro si ottiene una tensione di
errore nulla (continua) la quale viene applicata all'ingresso del VCO La frequenza di oscillazione
quindi si mantiene costante , perché il circuito risonante del VCO non è forzato da nessuna tensione.
La frequenza che si ottiene in assenza del segnale di ingresso di chiama frequenza libera di
oscillazione fo. Quando invece il segnale di riferimento avente frequenza fi, è presente all'ingresso
del rilevatore di fase si verifica che fp è molto diversa da fo, allora all'uscita del rilevatore di fase
sono presenti una piccolissima componente continua ed una componente alternata. Se la differenza
delle due frequenze (fi-fo) diminuisce, aumenta la componente continua e diminuisce la frequenza
di battimento. All'uscita del filtro passa-basso la tensione di errore raggiunge il VCO come tensione
di controllo ed obbliga a cambiare la frequenza di uscita dello stesso.
Tale processo continua fino a che la frequenza del segnale di riferimento non raggiunge un
determinato valore di frequenza rispetto ad fo. Più precisamente quando accade che la frequenza del
segale in ingresso raggiunge un determinato valore di frequenza f1, che è la frequenza limite
inferiore che serve al VCO per cominciare a cambiare la sua frequenza , il VCO raggiunge
(aggancia) il valore della frequenza di riferimento e la tensione di errore assume valori negativi. Se
la frequenza di riferimento continua ad aumentare , ad un certo istante la tensione errore è nulla e la
frequenza di ingresso è uguale alla frequenza fo. L'anello continua ad inseguire la frequenza di
ingresso fino a che raggiunga il valore f2; raggiunto tale valor che rappresenta il limite superiore
entro il quale il VCO varia la propria frequenza , la tensione di errore fornita dal filtro è nulla ed il
VCO funziona alla sua frequenza libera fo. Se invece la frequenza di riferimento diminuisce allora
il processo si ripete a partire da un da un valore di tensione positivo. Si nota che in questo caso il
campo di funzionamento del VCO è limitato dalle frequenze f3 ed f4. In conclusione si può
affermare che il sistema si aggancia sulla frequenza di riferimento entro un determinato campo di
cattura. Le frequenze f1 ed f3 rappresentano rispettivamente il limite inferiore e superiore del
campo di cattura.
2fc rappresenta il campo di aggancio, mentre 2fl il campo di cattura.
Rivelatore di fase
Dopo aver descritto il funzionamento generico si passa ora alla descrizione specifica di ogni singolo
blocco. Lo scopo del rivelatore è quello di fornire una tensione continua in funzione della differenza
delle fasi del segnale d’ingresso con quella del segnale d’uscita riproposto all’ingresso.
Ponendo all’ingresso del rivelatore di fase due segnali sinusoidali:
Dal confronto delle fasi si ha l’informazione sull'uguaglianza delle frequenze. Se le frequenze
all’ingresso del rilevatore sono uguali allora
è costante il valore medio dell’uscita del rilevatore.
Se invece le frequenze sono diverse e variabili anche la fase
sarà variabile nel tempo. La
variazione della fase e quindi del segnale provoca in uscita un’oscillazione del VCO che si esaurirà
nel breve tempo in cui il segnale d’ingresso verrà agganciato, ovvero quando la frequenza
d’ingresso e d’uscita saranno uguali. I rilevatori di fase possono essere di diverso tipo. Nel caso di
rilevatore di fase analogico il rilevatore è costituito da un moltiplicatore.
Ponendo all’ingresso due segnali sinusoidali come fatto in precedenza si avrà all’uscita:
Per la formula di Werner:
si ha che:
K nelle precedenti formule rappresenta la costante di moltiplicazione. Il segnale Vr(t) è costituito
da due componenti, una a frequenza fi-fo e l’altra a frequenza fi+fo. se le due frequenze tendono a
coincidere le due componenti del segnale d’uscita del moltiplicatore saranno una a frequenza alta e
l’altra a frequenza bassa. Dimensionando opportunamente il filtro verrà eliminata la componente ad
alta frequenza e si avrà:
Quando il PLL è agganciato si ha fo=fi e quindi:
Il valore KD (espresso in V/rad) è detto sensibilità del rilevatore di fase ed è fornita dal costruttore
del dispositivo. Questo rivelatore di fase possiede però una caratteristica non lineare (la tensione
d’uscita è infatti funzione del coseno) è presenta una zona d’impiego compresa tra 0° e 180°,
ovvero riesce a determinare la differenza di fase di due segnali solo se questa è minore di 180°; in
caso contrario la differenza di fase non è veritiera.
Sopra è riportata la tensione di uscita di un rilevatore di fase analogico. Come si nota il segnale, una
volta a regime è costituito da due componenti, una continua e l’altra ad alta frequenza. All’inizio la
frequenza del segnale varia fino a quando non si raggiunge la cattura e quindi l’aggancio. Il
rilevatore di fase può essere anche di tipo digitale, squadrando prima il segnale sinusoidale tramite
trigger di Schmitt. I rilevatori digitali possono essere realizzati a porte XOR, con flip flop JK o con
flip flop di tipo D.
Vi (1)
0
0
1
1
Vo (2)
0
1
0
1
Vr (3)
0
1
1
0
Se le frequenze dei segnali Vi e Vo sono diverse e variabili è variabile anche la durata T1 degli
impulsi di uscita di Vr e di conseguenza anche il valore medio in uscita del filtro passa basso. Se i
segnali di ingresso della porta hanno la stessa frequenza allora l’uscita è costituita da un treno di
impulsi aventi frequenza doppia rispetto a quella d’ingresso con T1 costante. Il duty cycle del
segnale d’uscita è uguale a:
In relazione ai segnali sinusoidali si ha:
e quindi:
Anche in questo caso la funzione è periodica e compresa tra 0° e 180°, come mostrato
prossimamente, ma tale intervallo è lineare ed è necessario che entrambi gli ingressi siano ad onda
perfettamente quadra e con un duty cycle del 50%, altrimenti sorgerebbero problemi di stabilità. Il
circuito presenta un’alta immunità ai disturbi che si sovrappongono al segnale d’ingresso.
Il rilevatore di fase a flip flop può essere realizzato sia con uno a tipo D sia con un JK in modalità
toggle.
Il rilevatore a flip flop presenta il vantaggio che è sensibile ai fronti del segnale e non allo stato
come mostrato.
Questo fatto comporta che il campo di linearità va da 0° a 360° a differenza dei tipi
precedentemente analizzati. Ciò comporta un netto miglioramento delle caratteristiche di aggancio e
di tenuta d’aggancio. Non esistono in oltre limitazioni per il duty cycle.
VCO
Il VCO (voltage controlled multivibrator) è un convertitore tensione frequenza in grado di generare
segnali sinusoidali a frequenza fo proporzionale all’ampiezza del segnale Vm applicato all’ingresso.
dove Ko è definita sensibilità del VCO espressa in rad/V s ed è fornita dal costruttore. Questo
valore rappresenta la pendenza della retta che rappresenta il rapporto tra tensione e frequenza. I
parametri principali sono la frequenza di free running fo, ovvero la frequenza alla quale il VCO
oscilla fuori dal campo di cattura; la massima frequenza ottenibile all’uscita che coincide con la
massima frequenza di lavoro del PLL. In generale, quando la differenza di fase è minima, 0°, il
VCO oscillerà ad una frequenza minima, quando la differenza sarà massima, 180° per il rilevatore
di fase analogico e con la porta XOR, 360° per quello col latch, ad una frequenza massima,
entrambe regolabili tramite una rete RC. Essendo Ko la pendenza della curva caratteristica, può
essere espressa come:
Filtro passa basso
Il filtro passa basso, disposto all’uscita del comparatore di fase, esegue due fondamentali funzioni:
estrae il valore medio del segnale in uscita del comparatore di fase e controlla il comportamento
dinamico del sistema (cattura, aggancio, larghezza di banda) ovvero la risposta al transitorio
dell’anello. In genere il filtro è costituito da una rete RC del primo ordine, che chiudendo l’anello
diventa del secondo. Un filtro del secondo ordine è caratterizzato dalla risposta al gradino, dove è
presente una sovraelongazione che si smorza dopo che il PLL ha agganciato la frequenza
d’ingresso. Nel caso in cui all’ingresso del PLL vi sia un segnale digitale come mostrato nel caso
del rilevatore di fase a porta XOR, detta VrM l’ampiezza massima del segnale e T/2 il periodo, il
valore medio vale:
ricordando che:
si avrà:
Il termine KD, che è uguale a VrM/ ed è espresso in V/rad, rappresenta la sensibilità del rilevatore
di fase. Per dimensionare il filtro del secondo ordine occorre analizzare la funzione di trasferimento
del PLL ad anello chiuso:
e dopo passaggi difficili e lunghi si giunge alla conclusione che:
Il procedimento di calcolo usato fa riferimento allo studio dei sistemi reazionati e quindi non verrà
in questa relazione approfondito.
Per concludere sul funzionamento del PLL ecco elencate le caratteristiche fondamentali:
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Frequenza di free running del VCO, compreso tra la frequenza minima e massima di
oscillazione, regolabile esternamente da componenti RC,
campo di sintonia, ovvero il rapporto tra la frequenza massima e quella minima,
campo di cattura, ovvero l’intervallo di frequenza nel quale il VCO riesce a catturare ed
agganciare la frequenza d’ingresso, facendo in modo che questa sia uguale quella di uscita,
campo di aggancio, cioè la zona in cui il VCO riesce a seguire la variazione di frequenza
dell’ingresso.
Come detto precedentemente il PLL può funzionare anche da sintetizzatore di frequenze, ovvero
data una certa frequenza d’ingresso stabile, questa può essere moltiplicata o divisa per ottenerne
un’altra. Questo fatto presenta numerosi vantaggi come lo sfruttamento di un solo circuito oscillante
che produce un segnale ad una frequenza fissa che può essere variata da un circuito o da più circuiti,
in modo da avere più frequenze diverse tra loro tutte sincrone alla frequenza di partenza